Évolution des caractéristiques de résistance des briquettes et du fluide contenant du charbon brut

Sep 24, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 593 (2023) Citer cet article

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Les propriétés mécaniques du fluide contenant du charbon sont un facteur important affectant la sécurité de l'extraction des filons de houille. En particulier, pour le charbon de classe III-V, des explosions de charbon et de gaz et d'autres phénomènes dynamiques sont susceptibles de se produire en raison des influences de la pression du gaz et des eaux souterraines, qui menacent gravement la sécurité et la vie des travailleurs sur le terrain. Cependant, des échantillons de briquettes sont généralement utilisés à la place du charbon brut dans les tests de laboratoire effectués sur des échantillons de charbon de classe III à V. Il convient de vérifier plus avant si les conclusions de la recherche sur les briquettes et le charbon brut sont cohérentes et si le charbon en briquettes peut remplacer le charbon brut dans la recherche sur les caractéristiques de résistance. Dans cet article, l'évolution des caractéristiques de résistance du charbon en briquettes fluide et du charbon brut est étudiée. Les caractéristiques de résistance, les caractéristiques de rupture d'instabilité et les caractéristiques d'émission acoustique du charbon brut et du charbon en briquettes sous compression uniaxiale et triaxiale sont analysées en détail. De plus, l'influence de la teneur en eau et de la pression interstitielle sur les caractéristiques de résistance du charbon brut et du charbon en briquettes de classe III–V est étudiée plus en détail. Les résultats montrent que la caractéristique de rupture du charbon brut est une rupture fragile globale, principalement une rupture par fendage axial, alors que celle de la briquette est une rupture ductile globale, principalement un écaillage continu en forme de cône. Les paramètres de résistance du charbon brut et du charbon en briquettes s'améliorent sous la pression de confinement, mais la différence interne dans le charbon brut est considérablement réduite. La cohésion de l'échantillon de charbon brut augmente initialement puis diminue avec l'augmentation de la teneur en eau, et l'angle de frottement interne augmente avec l'augmentation de la teneur en eau. De plus, il est vérifié que la résistance, la cohésion, le module d'élasticité et le module de déformation de la briquette diminuent avec l'augmentation de la pression interstitielle sous différentes pressions interstitielles, mais la différence de résistance du charbon de classe III-V diminue avec l'augmentation de la pression interstitielle. Sur la base des résultats mentionnés ci-dessus, les paramètres de résistance d'un corps de charbon sont estimés à l'aide du critère de Hoek-Brown (H-B). Sur la base d'une comparaison des paramètres de résistance de l'échantillon de charbon et du corps de charbon, les paramètres de résistance estimés du corps de charbon sont plus proches des valeurs réelles sur le site.

Les propriétés mécaniques du fluide contenant du charbon sont un facteur important affectant la sécurité de l'extraction des veines de charbon tendre, en particulier pour le charbon de classe III à V. Sous l'influence de la pression du gaz, des eaux souterraines et d'autres facteurs, des explosions de charbon et de gaz et d'autres phénomènes dynamiques sont susceptibles de se produire, ce qui menace gravement la sécurité et la vie des travailleurs sur le terrain. Cependant, les échantillons de briquettes sont généralement utilisés dans les tests en laboratoire d'échantillons de charbon de classe III à V. Il reste à vérifier si les conclusions de la recherche sur les briquettes et le charbon brut sont cohérentes et si une briquette peut remplacer le charbon brut dans la recherche sur les caractéristiques de résistance. Pendant longtemps, de nombreux chercheurs en Chine et à l'étranger ont mené de nombreuses études approfondies et détaillées sur les propriétés mécaniques des fluides contenant du charbon. L'échantillon de charbon est une partie importante du corps de charbon. Les objets de recherche des propriétés mécaniques d'un échantillon de charbon sont principalement divisés en deux types : le charbon brut et les briquettes. Pour le charbon de classe I et II, la structure du corps de charbon est relativement dure, fournissant les conditions nécessaires pour forer un échantillon de charbon brut, de sorte que des échantillons de charbon brut sont généralement utilisés dans de telles recherches. Pour le charbon de classe III à V, la préparation d'échantillons de charbon brut est difficile et les briquettes sont beaucoup plus faciles à obtenir que les échantillons de charbon brut, de sorte que les échantillons de briquettes sont plus couramment utilisés dans de telles recherches. Cependant, une briquette est un échantillon de charbon de briquetage secondaire, qui détruit les caractéristiques structurelles de l'échantillon de charbon brut lui-même. Le charbon de classe III-V est relativement brisé et ses caractéristiques sont similaires à celles de la structure en vrac. Par conséquent, le niveau de la différence entre les échantillons de charbon de trois types et si une briquette peut remplacer le charbon brut dans la recherche sur les caractéristiques de résistance doivent encore être vérifiés.

Le charbon porteur et le charbon brut ont été largement étudiés. Par exemple, Yang Ke et al.1 ont mené des essais de fractionnement dynamique sous charge d'impact sur différents échantillons de charbon de coupe à l'eau. Les caractéristiques de dissipation d'énergie des échantillons de charbon pendant le processus de rupture ont été obtenues pour différentes teneurs en eau, et l'influence de la teneur en eau sur la dimension fractale des échantillons de charbon brisé a été analysée. La dimension fractale des échantillons de charbon a augmenté avec l'augmentation de la pression de chargement, et le taux d'augmentation a ralenti. Sous la même pression de charge, la dimension fractale de l'échantillon de charbon saturé était la plus grande et celle de l'échantillon de charbon sec était la plus petite. Lai Xingping2 a effectué des tests de compression uniaxiale sur des échantillons de charbon et de roche avec différentes teneurs en eau et a constaté que sous compression uniaxiale, le mode de défaillance des échantillons de charbon et de roche avec différentes teneurs en eau était une rupture par cisaillement, et la fissure de cisaillement avait tendance à devenir plus complexe avec l'augmentation de la teneur en eau. Yubing Liu3 a étudié l'évolution de la perméabilité directionnelle du charbon complet et du charbon fracturé dans différentes conditions géologiques simulées. L'existence d'eau dans le charbon peut réduire la perméabilité d'un ordre de grandeur, et dans les échantillons de charbon avec des macrofractures rugueuses, la perméabilité diminue de manière significative. Lu Aihong4 a discuté de l'influence de la teneur en eau sur les propriétés mécaniques et la dissipation d'énergie d'une masse rocheuse sous une charge dynamique. Au fur et à mesure que la teneur en eau augmentait de 0 à 2,58 %, le taux de broyage des grosses particules diminuait et le taux de broyage des petites particules augmentait progressivement. Lorsque la teneur en eau était de 2,01 à 2,58 %, la dimension fractale augmentait de manière linéaire, indiquant que plus la teneur en eau était élevée, plus la dimension fractale du grès brisé était grande. Les résultats du calcul énergétique ont révélé que l'énergie de l'échantillon de grès atteignait la valeur maximale lorsque la teneur en eau était de 0 %. Lorsque la teneur en eau était de 2,01 à 2,58%, l'énergie de réflexion augmentait, tandis que l'énergie de transmission et l'énergie de dissipation diminuaient linéairement. De plus, Qiangling Yao5 a analysé l'influence de la teneur en eau sur les caractéristiques de résistance et de déformation des spécimens. À mesure que la teneur en eau de l'échantillon de charbon augmentait, la courbe contrainte-déformation totale présentait les caractéristiques d'une déformation plastique. Il existe une relation linéaire positive entre la déformation maximale et la teneur en humidité et une relation linéaire négative entre la résistance à la compression et la teneur en humidité. Wang Wen6 a discuté des caractéristiques mécaniques des échantillons de charbon aquifère sous chargement dynamique et statique combinés et a effectué des tests comparatifs de chargement dynamique et statique combinés tridimensionnels et de chargement statique tridimensionnel sur des échantillons de charbon naturel et des échantillons de charbon saturés pendant 7 jours en utilisant la barre de pression améliorée de Hopkinson (SHPB) et le système de test RMT-150. Les résultats ont révélé que la saturation en eau avait un effet significatif sur la résistance des échantillons de charbon, mais que la vitesse de déformation jouait un rôle de contrôle primordial. Dans des conditions de vitesse de déformation moyenne à élevée, le couplage entre l'eau de fracture et la fracture entraîne une plus grande rigidité, et la résistance dynamique d'un échantillon de charbon saturé d'eau augmente sous une charge dynamique et statique combinée tridimensionnelle. Jiang Jingdong et al.7 ont étudié l'influence de la teneur en eau sur les propriétés mécaniques et le mécanisme de rupture des roches. Ils ont constaté que plus la teneur en eau est faible, plus la pression de confinement est faible, plus les dommages à l'intérieur du mudstone sont importants et plus la plasticité est faible. Depuis longtemps, de nombreux chercheurs ont mené des recherches pertinentes du point de vue de la résistance mécanique d'échantillons de charbon à différentes teneurs en eau, et de nombreux résultats de recherche ont été obtenus8,9,10,11. Cependant, peu d'attention a été consacrée à savoir si le charbon avec différentes teneurs en eau peut remplacer le charbon brut dans les études expérimentales et si les caractéristiques de résistance des échantillons de charbon avec différentes teneurs en eau peuvent refléter les caractéristiques de résistance du corps de charbon. Par conséquent, dans cette étude, les caractéristiques de résistance du charbon porteur et du charbon brut ont été étudiées. Grâce à une analyse comparative des caractéristiques de résistance, d'instabilité et des caractéristiques d'émission acoustique des échantillons de charbon brut et de briquettes sous compression uniaxiale et triaxiale, les variations des caractéristiques de résistance de la briquette et du charbon brut ont été étudiées sous différentes teneurs en eau et pressions interstitielles pour révéler l'évolution des caractéristiques de résistance du charbon porteur et du charbon brut.

Pour comparer les caractéristiques de résistance des échantillons de charbon brut et de briquettes, compte tenu de la difficulté de traitement du charbon brut, un échantillon de charbon avec une structure complète et une dureté élevée facile à broyer a été sélectionné. L'échantillon de charbon a été prélevé dans la couche de charbon n° 3 de la mine de charbon Huoerxinhe, ville de Changzhi, province du Shanxi. Un échantillon de charbon avec une structure relativement complète a été obtenu, et son type de défaillance était du charbon de classe II. Tout d'abord, deux plans parallèles ont été coupés avec une machine de découpe pour délimiter l'échantillon de charbon brut, puis une carotteuse a été utilisée pour forer une carotte de charbon cylindrique d'un diamètre de 50 mm × 100 mm perpendiculaire à la direction du litage. Les deux extrémités de l'échantillon de charbon foré ont été lissées à l'aide d'un broyeur. L'échantillon a été laissé sécher naturellement dans un endroit ventilé pendant 48 h, et plusieurs échantillons de charbon ont été préparés (Fig. 1).

Traitement des échantillons de charbon brut.

Pour comparer les différences dans les caractéristiques de résistance de la briquette et du charbon brut, le charbon restant après le forage des échantillons de charbon brut a été utilisé pour préparer les échantillons de briquettes. Le charbon brut a été broyé à l'aide d'un broyeur à boulets et unifié. Ensuite, il a été placé dans un moule standard, composé d'un cylindre de matrice, d'un piston de pression et d'un cylindre de démoulage. Le diamètre intérieur du cylindre de filière était de 50 mm et la hauteur était de 200 mm. Le charbon pulvérisé a été placé dans le cylindre du moule, le piston de pression a été inséré, une pression de 100 MPa a été appliquée à l'aide de la presse, la pression a été maintenue pendant 30 minutes après sa stabilisation et le cylindre du moule a été placé sur la presse pour le démoulage. Une fois l'échantillon de briquettes obtenu, sa taille a été mesurée et enregistrée, et il a également été laissé sécher naturellement dans un endroit ventilé pendant 48 h. Plusieurs échantillons de briquettes sont illustrés à la Fig. 2.

Traitement des échantillons de briquettes.

Les courbes contrainte-déformation pour les essais de compression uniaxiale effectués sur les deux échantillons de charbon sont présentées à la Fig. 3. L'ordonnée est la pression axiale σ1 et l'abscisse est la déformation ε. Les tendances de changement des deux courbes illustrées à la Fig. 3 sont fondamentalement les mêmes. Avant d'atteindre le pic de résistance, ils subissent une étape de compactage, une étape élastique linéaire et une étape plastique. La briquette subit une phase de défaillance, tandis que le charbon brut subit un effondrement soudain à cette étape.

Courbes contrainte-déformation d'échantillons de charbon sous compression uniaxiale.

Dans l'étape de compactage, puisqu'il n'y a pas de plan structurel évident dans les deux types d'échantillons de charbon, mais que les fissures internes et les pores se ferment progressivement sous la charge axiale, les courbes présentent une croissance non linéaire, l'incrément de déformation diminue avec l'augmentation de la contrainte et la courbe se penche vers le bas. À ce stade, le compactage de l'échantillon de charbon brut est plus évident et la courbure est plus grande que celle de l'échantillon de briquettes, ce qui révèle que la fermeture des défauts internes d'origine dans l'échantillon de charbon brut est plus évidente. La courbure de la courbe à ce stade peut refléter la distribution plus uniforme de la porosité dans l'échantillon de briquettes par rapport à celle du charbon brut. En raison de la taille uniforme des particules et de la haute pression utilisée dans le processus de préparation, la partie interne de l'échantillon de briquette peut être considérée comme isotrope. Cependant, la pente de la courbe du charbon brut à ce stade est causée par l'existence de pores, de fissures et de cavités, qui provoquent de grands changements. L'échantillon de charbon brut entre dans la phase linéaire à 14-22% de la contrainte maximale, tandis que l'échantillon de briquettes entre dans la phase élastique à 32% de la contrainte maximale. Ces résultats reflètent le fait que le nombre total de fissures dans la briquette est supérieur à celui du charbon brut et que l'étape de compactage de la briquette est plus longue que celle du charbon brut.

Au stade élastique, la contrainte et la déformation augmentent linéairement. La déformation de l'échantillon de charbon peut être récupérée après le déchargement. Cependant, en raison des nouvelles microfissures produites dans l'échantillon de charbon sous chargement axial, il ne peut être considéré que comme un stade quasi-élastique. À ce stade, les particules de charbon pulvérisé dans l'échantillon de briquettes se recombinent et se déforment en raison de l'existence de microfissures, et la courbe de l'échantillon de briquettes est plus douce que celle du charbon brut. Par rapport à l'échantillon de charbon brut, on peut voir que la plasticité de l'échantillon de briquettes est plus forte et la rigidité du charbon brut est plus forte. Cependant, cette étape reflète la déformation élastique de l'échantillon de charbon dans son ensemble.

Au stade plastique, qui peut également être appelé stade de propagation instable des fissures, la courbe contrainte-déformation passe d'une croissance linéaire à une croissance non linéaire, les fissures internes commencent à se dilater légèrement par frottement, le glissement entre les particules produit de nouvelles fissures et l'échantillon de charbon présente une déformation plastique. A ce stade, la courbe de charge axiale de la briquette augmente.

Comme la charge axiale augmente continuellement, une fois que le charbon brut atteint la contrainte maximale, les fissures internes continuent de se dilater en peu de temps et se transforment finalement en macrofissures. La contrainte portante ultime de l'échantillon de charbon diminue rapidement en raison de la formation de ces macrofissures. Il y a une contrainte de charge résiduelle dans l'échantillon de briquettes à ce stade, et sur la courbe, la réduction de contrainte présente une forme en zigzag, tandis que la courbe de l'échantillon de charbon brut présente une diminution abrupte, qui est liée à la formation de macrofissures dans l'échantillon de charbon.

En prenant un échantillon représentatif de charbon brut comme exemple, le mode de défaillance de l'échantillon après l'essai de compression uniaxiale est illustré à la Fig. 4. Après avoir atteint la résistance maximale, en raison de la grande rigidité du charbon brut, la contrainte diminue brusquement et la courbe contrainte-déformation après défaillance ne peut pas être enregistrée. Ce phénomène est stocké dans la machine expérimentale après la perte de la contrainte ultime d'appui due à la rigidité insuffisante de la machine expérimentale12. Lorsque l'énergie potentielle élastique du charbon est libérée soudainement, l'échantillon de charbon a une grande déformation.

La rupture se forme de la briquette sous compression uniaxiale.

La faible chute de contrainte près du pic de résistance13 est due à l'augmentation continue de la contrainte de traction sous l'action du glissement de cisaillement pendant la compression, ce qui fait que la paroi latérale de l'échantillon de charbon se sépare et devient une barre de compression. Sous l'action de la contrainte de traction ultime, l'échantillon de charbon se rompt et s'effondre, présentant une rupture fragile dans son ensemble. Tout d'abord, la paroi latérale de l'échantillon se brise, puis l'échantillon de charbon se fend le long de la fissure axiale traversante.

Le mode de défaillance de la briquette sous compression uniaxiale est illustré à la Fig. 5. La courbe contrainte-déformation de l'échantillon de briquette au stade de la défaillance présente un motif en dents de scie décroissant. Une briquette est formée par occlusion mécanique entre les particules et l'effet de liaison à l'eau du charbon granulaire par pressurisation. Bien qu'il existe une couche de film d'eau liante entre les particules en raison de la présence d'eau, ce qui peut augmenter l'effet de lubrification entre les particules et ne favorise pas la formation de briquettes, une petite quantité d'eau est ajoutée pendant le processus de préparation. Après cela, la briquette est séchée dans un endroit ventilé pour que la macro-performance globale de la briquette présente une occlusion mécanique des particules. Dans le processus de chargement sans pression de confinement, les particules à l'intérieur de l'échantillon sont pressées et frottées les unes contre les autres sous la charge, et certaines particules se cassent à nouveau pour former des particules de tailles différentes, ce qui affaiblit la force de morsure entre les particules. Lorsque cette force n'est pas suffisante pour supporter la charge axiale, la paroi latérale de l'échantillon s'écaillera continuellement des extrémités et la contrainte diminuera progressivement. La rigidité du bloc de coussin est plus grande que celle de la briquette, et son énergie potentielle élastique interne est plus petite et est libérée avec l'écaillage continu de la paroi latérale de l'échantillon de charbon. En raison de l'effet final, la paroi latérale de l'échantillon de charbon se détache en forme de cône à partir de l'extrémité, et finalement la partie médiane de l'échantillon de charbon perd sa capacité portante, entraînant une fracturation.

Les formes de rupture de l'échantillon X2 sous compression uniaxiale.

Les courbes triaxiales de compression contrainte-déformation des échantillons de briquettes et de charbon brut sont illustrées à la Fig. 6. L'axe longitudinal de la Fig. 6 est la différence entre la pression axiale σ1 et la pression de confinement σ3. Les tendances de changement des deux groupes de courbes sont à peu près les mêmes et les paramètres de résistance sont meilleurs que ceux sous compression uniaxiale. Sous une pression de confinement, l'étape de compactage de la briquette n'est pas évidente et les fissures et les pores de l'échantillon de charbon sont plus étroitement fermés que sous une compression uniaxiale. L'augmentation du frottement réduit le glissement de cisaillement entre les particules. Sous différentes pressions de confinement, le degré de fermeture des fissures internes est différent. Lorsque la pression de confinement augmente, la résistance maximale de l'échantillon de charbon augmente, le stade élastique du charbon brut s'allonge et le stade plastique de la briquette s'allonge. Par rapport aux résultats des essais de compression uniaxiale, la ductilité globale du charbon brut est plus grande, mais la rupture globale est toujours fragile. Une briquette est formée en pressant du charbon granulaire. La pression de confinement augmente la déformation plastique de l'échantillon de charbon, rendant les particules plus denses, et l'ensemble de l'échantillon subit toujours une rupture ductile. Lorsque la pression de confinement du charbon brut atteint 15 MPa, les courbes de compactage et les sections élastiques linéaires coïncident presque. Lorsque la pression de confinement augmente, l'allongement des courbes est différent, et la structure interne du charbon est dense sous l'action de la pression de confinement. En raison de la pression de confinement, l'échantillon de charbon est gravement endommagé et le mode de défaillance complet ne peut pas être obtenu.

Courbes contrainte-déformation d'échantillons de charbon sous compression uniaxiale.

Trois ensembles d'échantillons typiques de charbon brut des classes III, IV et V avec différentes teneurs en humidité ont été utilisés pour les essais de cisaillement direct.

Les échantillons de charbon de classes III, IV et V ont été divisés en 12 groupes selon les teneurs en humidité de 6 à 28 % et ont été pesés. Sur la base des teneurs en humidité des trois types de charbons, la masse de l'eau à ajouter a été calculée en fonction de la masse de l'échantillon de charbon. De l'eau a été pulvérisée sur l'échantillon de charbon plat avec une seringue, puis l'échantillon a été agité uniformément et scellé dans un sac d'échantillon pendant 24 h.

Après avoir pesé l'échantillon de charbon pendant 24 h, de la vaseline a été appliquée à l'intérieur du couteau annulaire et il a été pesé. L'échantillon de charbon a été coupé à l'aide du couteau annulaire, compacté à l'aide d'un marteau en caoutchouc et de la méthode de compactage unifiée pour contrôler la compacité, puis la surface a été réparée à plusieurs reprises. L'échantillon de couteau annulaire préparé a été recouvert d'une plaque de couverture en plastique.

Douze échantillons avec la même teneur en humidité ont été préparés et trois groupes d'essais de cisaillement direct ont été effectués.

La variation de la force de cohésion du charbon brut en vrac de classe III-V avec une teneur en eau est illustrée à la Fig. 7. Pour les trois types d'échantillons de charbon, la force de cohésion augmente initialement puis diminue avec l'augmentation de la teneur en eau. La plage de variation de la force de cohésion de l'échantillon de charbon de classe III avec teneur en eau est plus grande que celles des échantillons de charbon de classe IV et V. La teneur en humidité optimale du charbon de classe III est d'environ 17 % et celle du charbon de classe IV et de classe V est d'environ 15 %. La cohésion du charbon de classe III est plus sensible à la teneur en humidité.

La relation entre la cohésion et la teneur en humidité.

L'eau contenue dans le charbon brut en vrac est principalement de l'eau libre et de l'eau liée. L'eau liée est étroitement adsorbée autour des particules de charbon en raison de l'attraction électrostatique des surfaces des particules, de sorte qu'elle ne peut pas s'écouler librement ou transférer la pression hydrostatique14. L'eau liée peut être divisée en deux types selon la distance entre les particules : l'eau fortement liée et l'eau faiblement liée. L'eau fortement liée est fortement affectée par la force électrostatique, tandis que l'eau faiblement liée est moins affectée et peut se déplacer librement, c'est donc une partie importante du film d'eau liée. Lorsque la teneur en humidité est faible, le film d'eau de liaison est mince, l'effet de liaison est faible et une structure agglomérée ne peut pas être formée, de sorte que la cohésion est faible15. En prenant le charbon de classe III comme exemple, lorsque la teneur en humidité atteint 0 à 17%, l'effet de liaison du film d'eau augmente progressivement et une tension superficielle se forme à la surface du film d'eau sous l'effet capillaire, ce qui est bénéfique pour la liaison interne des particules de l'échantillon de charbon. Lorsque la teneur en humidité est supérieure à 17%, le film d'eau entre les particules s'épaissit progressivement et l'eau libre affaiblit également le degré de connexion. De plus, en raison de l'augmentation de la saturation en eau, la succion matricielle de l'échantillon de charbon diminue progressivement16, et la cohésion diminue progressivement, ce qui améliore également la résistance de l'échantillon de charbon.

La relation entre l'angle de frottement interne et la teneur en eau pour les échantillons de charbon en vrac de classe III – V est illustrée à la Fig. 8. L'angle de frottement interne diminue avec l'augmentation de la teneur en eau, mais la relation a un faible degré d'ajustement et aucune corrélation globale évidente. Les résultats montrent que l'angle de frottement interne du charbon de classe III et IV coïncide presque avec la courbe d'ajustement de la teneur en eau, et l'angle de frottement interne du charbon de classe V change considérablement avec la teneur en eau.

La relation entre l'angle de frottement interne et la teneur en humidité.

L'angle de frottement interne est principalement l'incarnation de la performance de frottement de l'échantillon de charbon, qui surmonte principalement le frottement causé par les surfaces rugueuses entre les particules. Lorsque la teneur en eau augmente, le film d'eau lié entre les particules s'épaissit, affaiblissant l'effet de couplage entre les particules et augmentant l'effet de lubrification entre les particules. Ainsi, l'angle de frottement interne diminue avec l'augmentation de la teneur en eau.

Dans le processus d'extraction de charbon proprement dit, de l'eau est injectée dans la paroi de charbon mou pour améliorer la stabilité de la paroi de charbon et prévenir les accidents d'explosion de charbon et de gaz. Pour déterminer la teneur en eau optimale du mur de charbon, des échantillons de briquettes avec différentes teneurs en eau ont été préparés. Cinq types d'échantillons de briquettes avec des teneurs en eau de 2 %, 4 %, 6 %, 8 % et 10 % ont été préparés. En raison de la faible dispersion des échantillons de briquettes, un échantillon de briquettes devait être préparé pour chaque teneur en humidité.

Les résultats des tests de compression uniaxiale pour les échantillons de charbon avec différentes teneurs en humidité sont présentés dans le tableau 1, et la courbe contrainte-déformation de compression uniaxiale est illustrée à la figure 9.

Courbes contrainte-déformation des échantillons de briquettes de charbon avec différentes teneurs en humidité sous compression uniaxiale.

La courbe de la résistance à la compression uniaxiale et du module d'élasticité des échantillons de charbon avec différentes teneurs en eau est illustrée à la Fig. 10. La résistance et le module d'élasticité de la briquette augmentent avec l'augmentation de la teneur en eau dans une certaine plage. Lorsque la teneur en eau est de 6%, la résistance et le module d'élasticité de l'échantillon de charbon atteignent les valeurs maximales. Lorsque la teneur en eau augmente de 0 à 6 %, la résistance augmente de 28 % et le module d'élasticité augmente de 27 %. Lorsque la teneur en humidité est supérieure à 6 %, la résistance et le module d'élasticité de l'échantillon de charbon présentent des tendances décroissantes. Cependant, l'humidité est un composant essentiel et une teneur en eau raisonnable peut augmenter la cohésion entre les particules de charbon pendant le processus de préparation des briquettes.

Les courbes d'ajustement de la teneur en humidité en fonction de (a) la résistance à la compression uniaxiale et (b) le module d'élasticité.

La résistance de l'échantillon de charbon est principalement composée de sa propre force de cohésion et de la force de frottement générée par la charge17. Lorsque la teneur en eau de l'échantillon de charbon est faible, il y a peu d'eau libre entre les particules de l'échantillon de charbon et le pont liquide formé par l'eau combinée ne produit presque pas de force efficace. Sous une charge, les particules de l'échantillon de charbon ne peuvent pas se déplacer les unes par rapport aux autres et forment une structure dense, ce qui réduit la résistance de l'échantillon. A ce moment, la force dépend principalement du frottement. Lorsque la teneur en humidité est trop élevée, le film d'eau entre les fissures internes et les particules de l'échantillon de charbon est épais, ce qui affaiblit la liaison entre les particules et diminue la résistance de l'échantillon18. Une quantité raisonnable d'humidité joue un rôle de lubrification parmi les particules de l'échantillon de charbon. Une briquette est formée sous haute pression, ce qui permet aux particules de se frotter facilement les unes contre les autres sous une charge. Les petites particules pénètrent dans les espaces entre les grosses particules, et la cohésion générée par l'occlusion mécanique entre les particules fait que la structure de l'échantillon de charbon devient plus dense, ce qui amène la résistance de l'échantillon de charbon à atteindre le maximum19,20. Par conséquent, la détermination d'une teneur en humidité raisonnable est utile pour améliorer la résistance des échantillons de charbon.

Pour obtenir les caractéristiques de résistance triaxiale des échantillons de charbon de classe III-V sous différentes pressions interstitielles et pressions de confinement, des pressions interstitielles de 0,2 MPa, 0,4 MPa, 0,6 MPa et 0,8 MPa ont été sélectionnées. Pour comparer les résultats aux caractéristiques de résistance présentées précédemment d'un échantillon de charbon sans pression interstitielle, des pressions de 0,6 MPa, 0,8 MPa et 1,0 MPa ont été sélectionnées. Enfin, les différences dans les caractéristiques de résistance des échantillons de charbon de classe III-V sous la même pression interstitielle et la même pression de confinement ont été comparées.

Le système de test était principalement composé d'une machine d'essai de mécanique des roches RMT-150B, d'une chambre d'échantillonnage améliorée, d'une source de gaz CO2 à haute pression (pour des raisons de sécurité, le CO2 a été utilisé à la place du CH4) et d'un capteur de pression de gaz CY-60.

Pour permettre la comparaison avec les caractéristiques de résistance des échantillons de charbon, la même pression de confinement et la même méthode de chargement ont été adoptées. Xu Jiang et al.21 ont déterminé que la saturation de l'adsorption de gaz avait peu d'effet sur le degré de déformation et la résistance maximale des échantillons de charbon en menant des expériences comparatives dans des conditions de gaz et d'azote. Par conséquent, le fait que l'échantillon de charbon soit saturé a peu d'influence sur les résultats expérimentaux. Une fois l'échantillon de charbon installé, la pression de confinement a été appliquée à la valeur cible et du gaz CO2 a été introduit. Une fois que le gaz a été évacué à l'extérieur de l'appareil à travers l'échantillon de charbon et stabilisé, la soupape d'échappement a été fermée et l'expérience a été réalisée.

Selon le schéma expérimental conçu, un total de 10 groupes d'expériences de compression triaxiale avec différentes pressions de confinement, pressions de gaz et types d'échantillons de charbon ont été réalisés. Les résultats expérimentaux sont présentés dans le tableau 2. La courbe triaxiale contrainte-déformation pour une pression de confinement constante de 1 MPa est illustrée à la Fig. 11, et la courbe d'ajustement de la pression interstitielle en fonction de la résistance est illustrée à la Fig. 12.

Courbes contrainte-déformation d'échantillons de charbon avec différentes pressions interstitielles sous compression triaxiale.

La courbe d'ajustement de la résistance triaxiale en fonction de la pression interstitielle.

La résistance de l'échantillon de charbon diminue avec l'augmentation de la pression interstitielle. Comme on peut le voir sur la Fig. 12, à mesure que la pression interstitielle augmente, la durée de l'étape de déformation plastique de l'échantillon de charbon augmente, ce qui est dû au renforcement de la pression de confinement fixe lors de la ventilation de l'échantillon de charbon au stade initial de l'expérience.

Les courbes triaxiales contrainte-déformation pour les échantillons de charbon de type IV sous 0,8 MPa et 0 MPa sont présentées dans le tableau 2. Sous la pression interstitielle, dans l'étape de compactage, la courbe de l'échantillon de charbon se plie vers le haut car il y a une pression interstitielle dans les pores internes de l'échantillon de charbon dans la section OA. À ce moment, à mesure que la charge axiale augmente, la direction de la pression interstitielle est opposée à celle de la pression de confinement, et la pression interstitielle est bénéfique pour la formation et le développement des pores, compensant une partie de la pression de confinement. Par conséquent, l'étape de compactage existe à peine. On peut voir sur la figure 11 que lorsque la pression interstitielle diminue, dans l'étape de compactage, la courbe passe progressivement d'une flexion vers le haut à une flexion vers le bas.

Les courbes contrainte-déformation de compression triaxiale pour les échantillons de charbon de type III – V sous pression interstitielle et dans des conditions conventionnelles sont présentées à la Fig. 13. Les trois échantillons de charbon présentent des différences de résistance évidentes dans les expériences de compression triaxiale conventionnelles; cependant, sous pression interstitielle, les trois courbes sont cohérentes, et la résistance du pic et ses différences sont encore réduites. De plus, sous pression interstitielle, la différence dans les structures internes des trois types d'échantillons de charbon est réduite.

Courbes contrainte-déformation d'échantillons de charbon de classe III-V sous différentes pressions interstitielles et compression triaxiale.

Il n'y a pas de méthode théorique efficace pour prouver la différence dans les environnements mécaniques du charbon en briquettes et du charbon brut. Dans un massif rocheux sur le terrain, le critère généralisé de Hoek-Brown (H-B) et l'indice de résistance géologique (GSI) sont utilisés pour estimer les paramètres mécaniques du massif rocheux puis pour étudier les propriétés mécaniques du massif rocheux. Brown a effectué un grand nombre d'essais triaxiaux sur des échantillons de charbon et a constaté que la résistance maximale des échantillons de charbon peut être estimée à l'aide du critère H – B. En tant que roche spéciale, les paramètres mécaniques du charbon sont mesurés à l'aide d'expériences de mécanique des roches. Ensuite, les paramètres de résistance de la masse de charbon sont estimés à l'aide du critère généralisé H – B pour fournir une référence pour l'étude des caractéristiques de résistance du charbon.

Critère H–B généralisé :

\(\sigma_{1} = \sigma_{3} + \sigma_{ci} (m_{b} \frac{{\sigma_{3} }}{{\sigma_{ci} }} + s)^{a}\), σ1 est la contrainte principale maximale en cas de rupture du massif rocheux (MPa) ; σ3 est la contrainte principale minimale en cas de rupture du massif rocheux (MPa) ; σci est la résistance à la compression uniaxiale de la roche intacte (MPa) ; mb est la dépréciation du paramètre empirique mi de la roche complète ; a est la constante caractéristique d'un massif rocheux jointé ; et s reflète le degré de fragmentation de la roche.

Les données de compression uniaxiale et triaxiale présentées ci-dessus pour les échantillons de charbon brut et de briquettes ont été utilisées pour estimer les paramètres de résistance du corps de charbon à l'aide des critères H–B généralisés. Le GSI a été estimé à 55 en décrivant les caractéristiques du corps de charbon à partir duquel les échantillons de charbon ont été obtenus. Les paramètres de résistance du corps de charbon ont été calculés à l'aide du critère H–B généralisé. Les données sont présentées dans le tableau 3.

Le composant principal du corps de charbon est le bloc de charbon. De plus, il comprend un plan structurel composé de joints et de fissures, qui divise le corps de charbon en blocs de charbon discontinus. La principale différence entre les échantillons de charbon brut et le corps de charbon est que le plan structurel augmente la complexité de la contrainte et de la déformation sous contrainte du corps de charbon, ce qui rend les caractéristiques mécaniques des deux différentes.

Les paramètres mécaniques de l'échantillon de charbon et du corps de charbon sont présentés dans le tableau 3. On peut voir dans le tableau 3 que la cohésion, l'angle de frottement interne et la résistance à la compression uniaxiale des échantillons de charbon brut et de briquettes sont tous supérieurs aux valeurs estimées correspondantes pour le corps de charbon. En raison de l'existence d'un plan structurel faible à l'intérieur du corps de charbon, la résistance à la compression uniaxiale du corps de charbon est bien inférieure à celle de l'échantillon de charbon. La résistance à la compression uniaxiale du corps de charbon estimée à l'aide d'échantillons de charbon est environ trois fois supérieure à celle des échantillons de charbon brut et des échantillons de briquettes. Il y a peu de différence entre les valeurs estimées de la force de cohésion et de l'angle de frottement interne. On peut voir à partir de la formule que la force de cohésion est liée à la taille de l'angle de frottement interne, à la résistance de l'échantillon de charbon et à la sélection de la valeur GSI de la structure du charbon, mais la valeur GSI de la structure du charbon a une grande influence sur la valeur estimée. La valeur estimée est de 55, donc la différence entre les deux n'est pas grande. Les paramètres mécaniques d'autres corps de charbon sont fortement liés à la résistance des échantillons de charbon, de sorte que les paramètres de résistance estimés à l'aide d'échantillons de charbon brut et de briquettes sont différents.

Sur la base des données expérimentales obtenues pour les échantillons de charbon de classe III-V, on estime que les valeurs GSI de la structure du corps de charbon à partir de laquelle les échantillons de charbon de classe III-V ont été prélevés sont respectivement de 20, 15 et 5 selon le tableau 4. Les résultats estimés sont présentés dans le tableau 4.

Le tableau 4 présente les paramètres mécaniques estimés des échantillons de charbon obtenus dans cette étude et le paramètre de résistance au cisaillement c du charbon et des échantillons de charbon dans deux conditions. Les valeurs de φ sont comparées à la Fig. 14. Les valeurs des paramètres des échantillons de briquettes et de charbon en vrac diffèrent considérablement des valeurs estimées. La cohésion mesurée des échantillons de charbon en vrac est trop petite et l'angle de frottement interne est trop grand. La cohésion des échantillons de charbon diminue de la classe III à la classe V, tandis que l'angle de frottement interne ne fluctue pas de manière significative. En revanche, la cohésion estimée des échantillons de charbon augmente de la classe III à V, et l'angle de frottement interne fluctue légèrement. Les valeurs estimées des paramètres mécaniques devraient être plus proches de la réalité et augmenter la sécurité et la fiabilité de leur utilisation dans les simulations numériques et les applications d'ingénierie.

Graphiques à barres comparant les angles de cohésion et de frottement interne des échantillons de charbon de classe III-V et de la masse de charbon.

Grâce à des essais de compression uniaxiale et triaxiale, les différences entre les caractéristiques de résistance du charbon brut et du charbon en briquettes ont été analysées. Les caractéristiques de rupture du charbon brut sont principalement une rupture par fendage axial et une rupture fragile globale, tandis que celle du charbon en briquettes est principalement une rupture ductile due à l'écaillage continu de la paroi latérale en forme de cône. Les paramètres de résistance du charbon brut et du charbon en briquettes s'améliorent sous la pression de confinement, et la différence interne dans le charbon brut est considérablement réduite.

La cohésion c de l'échantillon de charbon en vrac n'a pas de corrélation évidente avec sa dimension fractale D, et l'angle de frottement interne φ diminue comme une fonction exponentielle négative avec l'augmentation de la dimension fractale D. La cohésion de l'échantillon de charbon augmente initialement puis diminue avec l'augmentation de la teneur en eau, et l'angle de frottement interne diminue avec l'augmentation de la teneur en eau. La cohésion du charbon de classe III est plus sensible aux variations de la teneur en eau, et l'angle de frottement interne du charbon de classe V est le plus sensible aux variations de la teneur en eau.

La résistance, le module d'élasticité et le module de déformation de la briquette de charbon augmentent initialement puis diminuent avec l'augmentation de la teneur en eau.

Sous différentes pressions interstitielles, la résistance, la cohésion, le module d'élasticité et le module de déformation de la briquette de charbon diminuent avec l'augmentation de la pression interstitielle, mais sous l'effet de la pression interstitielle, la différence de résistance des échantillons de charbon de classe III-V diminue.

En utilisant le critère H–B, il a été constaté que les paramètres de résistance des échantillons de charbon et la valeur GSI de la structure du charbon ont une grande influence sur la précision des valeurs estimées des paramètres de résistance du charbon. En comparant les paramètres de résistance des échantillons de charbon et des masses de charbon, il a été constaté que les valeurs estimées des paramètres de résistance du charbon devraient être plus proches de la situation réelle sur le site.

Les données à l'appui des conclusions de cette étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Cette recherche a été soutenue par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (n° 51974108 et 51404093), les fonds de recherche fondamentale pour les universités de la province du Henan (n° NSFRF210315), le projet de recherche postdoctorale dans la province du Henan (n° 001701014), la base de culture du laboratoire clé de l'État pour la géologie et le contrôle des gaz (Université polytechnique du Henan) (n° WS20 20B12 et WS2012A09), le programme de recherche clé de l'Administration d'État de la sécurité au travail (n° Henan-0025-2015AQ et Henan-0007-2015AQ) et la Fondation doctorale de l'Université polytechnique du Henan (n° B2012-093, CCCC).

Collège des sciences et de l'ingénierie de la sécurité, Université polytechnique du Henan, Jiaozuo, 454003, Chine

Feiyan Zhang et Chen Niu

Centre d'innovation collaborative pour la sécurité du travail au charbon et l'utilisation propre à haute efficacité, Jiaozuo, 454003, Chine

Feiyan Zhang

École des sciences et de l'ingénierie de l'énergie, Université polytechnique du Henan, Jiaozuo, 454003, Chine

Ying Han

Base de culture de laboratoire clé d'État pour la géologie du gaz et le contrôle du gaz, Université polytechnique du Henan, Jiaozuo, 454003, Chine

Ying Han

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Analyse formelle, enquête, rédaction—préparation de l'ébauche originale, FZ et YH ; ressources, conservation des données, supervision, administration de projet, acquisition de financement, FZ et CN ; rédaction—révision et édition, FZ et YH Tous les auteurs ont lu et accepté la version publiée du manuscrit.

Correspondance avec Ying Han.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Zhang, F., Niu, C. & Han, Y. Évolution des caractéristiques de résistance des briquettes et du fluide contenant du charbon brut. Sci Rep 13, 593 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27908-6

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Reçu : 14 août 2022

Accepté : 10 janvier 2023

Publié: 11 janvier 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-27908-6

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